Dank dem Protein SYFO2 können stickstofffixierende Bakterien in Wurzelzellen von Hülsenfrüchten eindringen. Eine Grundlage dafür, dass sich die Pflanzen «selbst düngen» können. Die Entdeckung eröffnet neue Perspektiven, um die natürliche Stickstoffbindung künftig auch auf wichtige Nutzpflanzen wie Tomaten zu übertragen – und damit den Einsatz von Düngemitteln langfristig zu reduzieren.
Die meisten Pflanzen lassen pilzartige Mikroorganismen in ihre Wurzelzellen eindringen, stellen ihnen Kohlenhydrate bereit und werden im Gegenzug besser mit Nährstoffen und Wasser versorgt. Nur Hülsenfrüchte wie Erbsen, Bohnen und Klee gehen eine zusätzliche, für beide Seiten vorteilhafte Symbiose mit stickstofffixierenden Bodenbakterien ein. Die Allianz mit sogenannten Rhizobien ermöglicht es ihnen, sich selbst mit dem für ihr Wachstum wichtigen Stickstoff aus der Luft zu versorgen.
Forschende um Prof. Dr. Thomas Ott, Professor für Zellbiologie der Pflanze an der Fakultät für Biologie und Mitglied des Exzellenzclusters CIBSS, konnten jetzt erstmals belegen: SYFO2, ein bislang wenig erforschtes Protein, das in den Wurzeln von Hülsenfrüchten und anderen Pflanzen vorkommt, spielt eine Schlüsselrolle bei der «Selbstdüngung» von Hülsenfrüchten. Denn es ermöglicht Rhizobien, in die Wurzelzellen einzudringen. Sobald die Wurzelhaare der Pflanzen die Bakterien eingefangen haben, stösst SYFO2 den Umbau des Zellskeletts (Aktin-Zytoskelett) an – der entscheidende Schritt, damit Bakterien in die Wurzelzelle gelangen und diese im Inneren infizieren können. Infolge der Infektion bilden sich kleine Knöllchen entlang der Pflanzenwurzeln, in denen Rhizobien Stickstoff aus der Luft binden und für die Pflanze nutzbar machen.
Die Forschungsgruppe konnte diesen Prozess mithilfe einer Kombination aus bildgebenden, molekularbiologischen und genetischen Verfahren nachweisen. Darüber hinaus ist es den Wissenschaftlern gelungen, die tomateneigene Version von SYFO2 zu aktivieren, indem sie einen Regulationsfaktor der Wurzelknöllchensymbiose mit stickstofffixierenden Bakterien, den Transkriptionsfaktor NIN, einbrachten.
Die Studie mit dem Titel Nanodomain-localized formin gates symbiotic microbial entry in legume and solanaceous plants erweitert das Verständnis darüber, wie tomateneigene Symbiose-Gene gesteuert werden können. Sie legt den Grundstein für zukünftige Bemühungen, die nützlichen Wechselwirkungen zwischen Pflanzen und Rhizobien zu verbessern und die Fähigkeit zur Stickstofffixierung auf Nutzpflanzen zu übertragen – mit dem langfristigen Ziel, den Bedarf an Düngemitteln zu reduzieren. Die Forschungsergebnisse sind in der Fachzeitschrift Science erschienen.
Grundlage für Schlüsselprozess identifiziert
«Die meisten Hülsenfrüchte haben ausgeklügelte Mechanismen entwickelt, um symbiotischen Bakterien den Eintritt in die Zelle zu ermöglichen», sagt Ott. «In dieser Studie haben wir die molekulare Grundlage für einen Schlüsselprozess identifiziert, bei dem die Pflanze vom ‹Einfangen der Bakterien› zum ‹Öffnen der Tür› für sie übergeht.» Die Arbeit wurde zusätzlich vom Institut für Experimentelle und Klinische Pharmakologie und Toxikologie unterstützt.
Centre for Integrative Biological Signalling Studies (CIBSS)
Die Zellen komplexer Lebewesen kommunizieren über biologische Signale, um Aufgaben zu koordinieren, Gewebe zu bilden und sich an Umweltbedingungen anzupassen. Seit 2019 erforscht das Exzellenzcluster Centre for Integrative Biological Signalling Studies (CIBSS), wie sich diese «Sprache des Lebens» entschlüsseln und anwenden lässt. Forschende aus den Lebens-, Natur- und Ingenieurwissenschaften sowie aus Ethik und Recht untersuchen, wie lebende Systeme Signale integrieren, um Entscheidungen zu treffen, die – von Zellen über Organe bis hin zu ganzen Organismen – die Entwicklung, Funktion und Gesundheit steuern. Das Cluster entwickelt dabei Lösungsansätze für aktuelle globale Herausforderungen in den Bereichen Gesundheit und Ernährungssicherung.
Ferner konnte gezeigt werden, dass SYFO2 bei einigen Pflanzen, die keine Symbiose mit stickstofffixierenden Bakterien eingehen, für die Entstehung der häufigsten und evolutionär ältesten Form der Symbiose erforderlich ist: der Mykorrhiza-Symbiose zwischen Pflanzen und Pilzen. Vor diesem Hintergrund und mit Blick auf die erfolgreiche Aktivierung des Proteins in Tomatenpflanzen fasst Ott zusammen: «Dieses Ergebnis ist besonders interessant, weil es zeigt, dass Gene, die normalerweise an der Mykorrhiza-Symbiose beteiligt sind, auch dazu genutzt werden können, um eine bakterielle Stickstofffixierungssymbiose in Pflanzen zu ermöglichen.»
